科学技术概论课件主要部分

二、若干基本概念（Somebasicterms）科学：我们理解自然界的最有效的方式；科学活动包括观察或实验，以及将收集到的证据上升到理论；科学是系统的、有条理的知识。技术：应用科学；技能和知识的集合体，通过这些技能和知识，来实现人类对自然的控制和改造；医学也是一种技术。科学技术与社会语境（socialcontext）：政治语境、经济语境、教育与文化语境……；科学共同体；伦理道德与行为规范。控制复杂性：人的作用：人群动力学机制，群集智能系统。Eg1：腮腺炎—麻疹—风疹疫苗和孤独症的关联：接种麻疹、腮腺炎、风疹三联疫苗可能增加孩子患上孤独症的危险。Eg2：IgnazSemmelweis和产褥热（1818-1865），匈牙利医生；1844-1848年维也纳医院工作；第一产科病房的产褥热发病率极高，达到10%，远高于第二产科病房的2.3%。19世纪末20世纪初的物理学革命一、古典物理学的顶峰与物理学危机1、19世纪末古典物理学大厦建成：形成牛顿力学体系为中心，声学、热学、光学和电磁学大一统，小到原子、大到宇宙天体的世界图景，使物理学显示出一种形式上的完整，物理学大厦已经最终建成，剩下的工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些；3、物理学晴朗天空中的两朵乌云：迈克尔逊-莫雷实验的零结果1886年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷进行探测光以太对于地球的漂移速度的实验，在人们当时的观念里，以太代表了一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，就相当于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了，但是迈克尔逊和莫雷一连观测了数天，没有观测到以太的飘移速度，以失败告终；难以观测到以太的绝对运动，这便动摇了经典物理学和经典时空观的基础。4、黑体辐射与紫外灾难：在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80％左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体；英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，而实验数据是趋于零，这部分的严重偏离，被称为“紫外灾难”。X射线：伦琴；放射性：居里夫妇；电子：汤姆孙；原子结构：卢瑟福；量子：普朗克二、相对论：世界图景的重建1、早在16岁时爱因斯坦就在想一个问题，如果一个人以光速远行，他将看到一幅什么样的世界景象呢，电磁波是不是就像凝固了那样静止不动呢，如果是那样，电动力学就完了。看起来，电动力学的麦克斯韦方程只对一个绝对静止不动的参考系即以太参考系是成立的。可是这与牛顿力学所遵从的惯性系等效原理相矛盾。2、所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的，伽利略恰当地称之为相对性原理。他的著名实验是，一个坐在船舱里的人无论用什么物理实验，也无法确定该船是否在相对于河流做均匀直线运动即惯性运动。可是，电动力学为什么不遵从伽利略的相对性原理呢?4、第一篇论文发表在《物理学年鉴》第17卷132-148页，是关于光电效应的。爱因斯坦将德国物理学家普朗克在此之前提出的量子观点大胆推广，指出光是由一定能量的光量子组成。正是这些光量子激发了金属内部的电子，而且，只有一定能量的光量子能被金属所吸收，并激发一定能量的电子。这就解释了光电效应。由于这篇论文，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理奖。6、第二篇论文发表在《物理学年鉴》第17卷549-560页，是关于布朗运动的。布朗运动是1827年英国植物学家布朗发现的显微镜下花粉颗垃的无规则运动，长期以来得不到解释。分子运动论建立之后，曾有人从大量分子无规则运动的观点解释布朗运动。但爱因斯坦第一个从数学上详尽地解决了这一问题。7、最伟大的成就是第三篇论文《论动体的电动力学》，刊于《物理学年鉴》第17卷第89l-921页。在这篇论文中，爱因斯坦提出了他举世闻名的相对性理论即相对论。他以同时性的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论。并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式。9、狭义相对论（1905，SpecialRelativity）：惯性参照系等价；同时性的相对性；光速不变；广义相对论（1913，GeneralRelativity‎）：引力质量=惯性质量，等效原理；火箭实验(升降机实验)10、狭义相对论：（1）光速不变：在所有惯性系中，真空中的光速都等于299792458m/s（2）惯性参照系等价：同时性的相对性；在所有惯性系中，物理定律有相同的表达形式。（3）尺缩钟慢效应：尺缩：物体相对于观察者为静止时，该物体的长度测量值最大；当它相对于观察者运动时，在它的运动方向上，该物体的长度测量值要缩短，速度越快，缩短越多；钟慢：发生在运动物体上的过程，在静止的观察者看来都变慢了。（4）四维时空：经典力学中，时间和空间是互不相干的两种实在。而在相对论中，时间坐标和空间坐标由洛伦兹变换紧密联系在一起，时间和空间实际上构成了一个存在紧密联系的不可分割的统一体。（5）速度变换公式：若u等于c时，公式为1，即为光速不变原理；若u和v极小于c，即为经典力学中的速度叠加公式。这也反映了相对论力学对经典力学的兼容。（6）双生子佯谬：有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年青。但如果我们从宇宙飞船上的兄弟的角度去想这个问题，我们似乎会得出矛盾的结果：旅行者在宇宙飞船中会看到地球以高速离他而去，然后又高速回来。他可以认为他在地球上的兄弟才是移动时钟，所以是他的兄弟才会受时间膨胀所影响，而不是他自己。（7）质能方程：物体的质量随其运动速度增加而增加，根据质量是动量与速度之比，可以建立质量与能量之间的内在联系，即质能关系式：11、广义相对论：广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。爱因斯坦引力场方程。这个方程描述了处于时空中的物质是如何影响其周围的时空几何，并成为了爱因斯坦的广义相对论的核心。（1）引力质量=惯性质量，等效原理：等效原理认为引力质量和惯性质量是等同的，或者说，两个空间分别受到引力和与之等大的惯性力的作用，在这两个空间中从事一切实验，都将得出同样的物理规律。（2）广义协变原理：广义相对论的定律以及在广义相对论框架中得到的物理定律——在所有参考系中具有相同的形式。或者说，物理定律的形式在所有的观察者看来都是相同的，自然规律同我们引进的坐标系无关。这一原理的前提是认为惯性质量与引力质量相等。惯性质量同引力质量相等就意味着：引力场加给物体的加速度同物体的本性无关。也就是说，在引力场中的同一地点，一切物体的加速度都是相同的（引力场的特征性质）。（3）广义相对论与万有引力：由于在广义相对论中时空是弯曲的，故欧氏几何不复有效，需用黎曼几何描述。广义相对论指出时空弯曲的曲率取决于物质的分布，引力不过是时空弯曲的“效应”，这就取消了牛顿万有引力的假定。从广义相对论的观点看来，地球绕太阳运动是由于太阳的巨大质量，使太阳周围的时空发生了弯曲，并不是因为存在什么神秘的引力。（4）水星近日点的进动：根据广义相对论的计算，水星近日点本来就应当有43秒的进动，根本不存在“火神星”。2''1uvuuvc2E=mc（5）光线在引力场中的偏转：爱因斯坦根据等效原理预言，光线经过太阳边缘时由于太阳引力的作用会产生弯曲，要发生1.7秒的偏转，偏角为0.83″，也就是说从地球上观察太阳附近的星星视位置会变化。他指出这一现象可以在日全食进行观测。英国天文学家爱丁顿利用将要发生日全蚀的机会验证这一伟大理论。根据非洲几内亚湾的普林西比岛和南美洲的索布腊尔的观测结果，分别是1.61±0.30秒和1.98±0.12秒（6）引力红移：光波或者其他波动从重力场源(如巨大星体或黑洞)远离时，整体频谱会往红色端方向偏移，亦即发生“频率变低，波长增长”的现象。质量庞大的星球上所发出的光远离星球时，会发生红位移——从蓝色偏到红色。1925年，美国天文学家亚当斯对天狼伴星的光谱线的观测证实了引力频移。12、相对论的意义：相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质及其运动的统一性，从而改变了人们所习惯的关于时间和空间的传统看法即绝对时空观，并为辩证唯物主义的时空观提供了充分的科学依据。同时，相对论作为人们探索自然奥秘的强有力的理论武器，不仅为物理学的发展开辟了一个全新的方向，而且为现代科学技术的发展奠定了牢固的基础。13、普朗克的量子假说：普朗克在解决黑体辐射问题时，提出了普朗克公式。但是在引导这个公式时，他假设这些原子谐振子的能量，不是连续的，而是离散的（经典物理学的观点恰好相反）：能量吸收和辐射的离散性。En=nhv(n=0,1,2,3,…)这里n为量子数，h为自然常数（普朗克常数），v为频率。能量的最小单位为“量子”，其改变值是最小能量E的整数倍。14、爱因斯坦的光量子假说：光电效应指的是某些物体如金属内的电子由于光照而移出物体的表面现象。爱因斯坦认为，光是以速度c在真空中运动着的微粒流，微粒即“光量子”。当光照射到物体表面时，能力为hv的光子被电子吸收，电子把这份能量中的一部分用来克服物体表面对它的的束缚力，另一部分则变为它离开物体表面的动能。这样就完满地解释了光电效应实验的特性了。这一假说后来被康普顿效应所证实15、光的波粒二象性：光既非经典的粒子也非经典的波，而有时表现出粒子性，有时表现出波动性，它们均反映了光的本质的一个侧面。16、玻尔量子化的原子模型：玻尔将“量子化”概念引入原子核模型，认为电子只在一些不连续的特定的圆轨道上绕核运动，而且电子在这些特定轨道上运行并不辐射能量，只有当它从一个较高能量的轨道向一个较低能量的轨道上跃迁时才发出辐射，反之则吸收辐射。17、德·布罗意的物质波理论：微观实物粒子如电子、中子及原子等也具有波粒二象性。18、矩阵力学（1925）和波动力学（1926）：海森堡，玻恩：矩阵力学；薛定谔：波动力学；矩阵力学同波动力学在数学上是完全等价的，它们可以通过数学变换从一种理论转化为另一种理论，两者实质上是同一理论的两种表达形式。19、量子力学的建立：玻恩，1926年，波函数的概率解释；海森堡，1927年，测不准原理；狄拉克，1928年，相对论波动方程；泡利，不相容原理。三、量子力学的哥本哈根解释及其哲学意义：波函数：几率波（1926）——确定性的缺失；测不准原理（不确定性原理）（1927）：观察者与观察对象的不可分割；EPR关联：定域性的缺失；互补原理（1927）：理论模型的工具属性。天文学一、月球整体特征：赤道半径：1738.2km；质量：地球的1/81.3；体积：地球的2％；平均密度：3.341g/cm3,地球的60％；表面重力加速度：1.62m/s2，地球的1/6；月表基本没有大气，也没有液态水和生命；表面最高温度123C，最低达-233C；没有明显的磁场，岩石有极微弱剩磁；已发现100多种矿物，有5种地球上未发现过。二、月貌----月表的地形：1、月海：月球表面地势低洼、较暗（反照率低）的平坦区域。环形山较少，主要分布在月球的正面（朝地球的一面）。地质年龄较年轻。比比月球平均水准面低1~4km。2、月陆：地势较高（高出月海2-3km）、比较明亮（反照率高）的区域，有不少连绵不绝的陡峭山脉和无数的环形山，主要分布在月球的背面，布满了大小不等的陨击坑。地质年龄比较老。3、陨击坑：又称月坑，以前曾叫环形山。三、月海的